In campo automobilistico il common rail è un sistema di alimentazione montato su motori diesel, ideato e sviluppato dal Gruppo Fiat (Magneti Marelli, CRF ed Elasis), e successivamente industrializzato da Bosch, il cui lancio mondiale per le vetture di serie avvenne nel 1997 con la prima applicazione su Alfa Romeo 156 1.9 e 2.4 JTD. Si tratta di un sistema rivoluzionario nel campo automobilistico che ha portato ai veicoli diesel così come li conosciamo oggi. Per circa due anni è stato un’esclusiva di Fiat, Alfa Romeo e Lancia, di seguito è stato montato sulla totalità dei maggiori gruppi automobilistici.
Storia
La storia del Common Rail è una storia molto italiana: nacque infatti dalla necessità di svincolare dalle licenze Bosch la fabbrica di Bari da parte di un gruppo pionieristico diretto dall’ing. F. P. Ausiello, Direttore della Ricerca e Sviluppo Diesel della Marelli, che portò in tre anni, dal 1987 al 1990, alla dimostrazione della fattibilità industriale di questo sistema. Dal 1990 il sistema fu sviluppato dal Dr. Mario Ricco, oggi considerato padre della tecnologia, subentrato, dopo l’intervento della R. Bosch, alla direzione del “Centro Ricerche Alimentazione Motori Elasis” a Bari. Ed infatti, mentre la parte elettronica è stata sviluppata dal Centro Ricerche Fiat di Orbassano e dai centri Magneti Marelli di Torino, l’iniettore, la pompa ed il regolatore di pressione (in pratica il “cuore” del sistema Common rail) sono stati sviluppati proprio dal “Centro Ricerche Alimentazione Motori Elasis” di Bari (centro ricerche del gruppo Fiat). Ed ancora oggi a Bari, nella zona industriale, si trova lo stabilimento della Bosch che produce le pompe ad alta pressione per tutto il mercato europeo.
Nonostante la storia del common rail in campo automobilistico sia relativamente recente motori con lo stesso principio del common rail sono stati utilizzati in passato in ambito sia navale sia ferroviario, sulle locomotive. Il motore Cooper-Bessemer GN-8 (del 1942) è un esempio di motore diesel common rail ad azionamento idraulico, conosciuto anche come common rail modificato. Il principio del motore “Common rail” ad iniezione diretta è stato sviluppato dai ricercatori del politecnico di Zurigo a partire dagli anni trenta ma era inapplicabile sui motori diesel per uso automobiistico, la prima applicazione su autovetture avvenne nel 1997: una pompa, indipendentemente dal regime di rotazione del motore, introduce gasolio all’interno di una condotta (il “common rail” o collettore comune) e genera una pressione all’interno della stessa, che diventa così un accumulatore idraulico, cioè una riserva di combustibile in pressione pronto per essere iniettato nei cilindri. Il gasolio in eccesso (ad alta temperatura) viene rimandato al serbatoio dove si miscela con il gasolio a temperatura ambiente. Nelle prime applicazioni (Alfa Romeo 156 1,9 JTD) questo ricircolo di gasolio caldo nel serbatoio causò problemi di affidabilità legati all’innalzamento della temperatura globale nel circuito carburante con pericoli di degradazione dei componenti di plastica. Nei veicoli di serie il problema fu risolto con una serpentina metallica di raffreddamento posizionata sotto la vettura. Elemento importante nel sistema Common Rail è il filtro del gasolio poiché gli iniettori di ultima generazione sono particolarmente sensibili alle impurità e all’acqua (più che a problemi di infiltrazioni nel serbatoio del gasolio o in fase di rifornimento, è dovuta alla condensazione notturna dell’umidità presente nell’aria, per l’abbassamento della temperatura nel serbatoio). Per ovviare alla presenza di acqua, nella maggior parte dei filtri gasolio sono installati un sistema di separazione dell’acqua e un sensore presenza acqua che ne rileva il superamento del livello di accumulo massimo consentito.
La pre-industrializzazione del sistema “Common rail” è iniziata, nel 1990 dalla collaborazione tra Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat ed Elasis. Dopo lo sviluppo portato avanto dal Gruppo Fiat, il progetto venne ceduto, nell’aprile 1994, alla ditta tedesca Robert Bosch GmbH (sotto pressione della casa automobilistica Mercedes) che si occupò dell’industrializzazione e della commecializzazione. Il 27 giugno 2008 è stata presentata la seconda versione del Common Rail destinata ad auto di cilindrata medio grande ed auto di classe Euro 6.
La Fiat aveva presentato, nel 1986, la prima vettura con motore a ciclo diesel con iniezione diretta, la Fiat Croma TD i.d.; a questa fece poi seguito, nell’ottobre del 1997, l’Alfa Romeo 156 JTD equipaggiata con un motore a ciclo diesel che lavorava con il sistema d’iniezione del combustibile “Common rail”. I motori common rail di tipo MultiJet sono attualmente in uso su tutti i modelli del Fiat Group Automobiles. Tutti gli odierni motori diesel usano il sistema common rail, anche il gruppo VAG, che gradualmente ha dovuto “arrendersi” alla tecnologia di origini italiane, mentre le precedenti generazioni dei motori diesel Volkswagen utilizzano un sistema Iniettore pompa, o PDE, dove ogni iniettore è dotato di una pompa.
Struttura e Funzionamento
È caratterizzato dalla presenza di una pompa a bassa pressione con in serie un’ulteriore pompa ad alta pressione, di un condotto comune di accumulo ad alta pressione (da 300 al minimo a oltre 1800 bar a pieno carico) per il combustibile e di iniettori a comando elettronico. In questo modo la gestione della pressione e del tempo di iniezione sono svincolate tra di loro, permettendo grande flessibilità di funzionamento.
Nei precedenti motori ad iniezione diretta una pompa ad alta pressione alimenta dei condotti ad alta pressione fino alle valvole controllate da un albero a camme o agli iniettori ad apertura meccanica che si aprono grazie alla pressione esercitata dal combustibile stesso su un corpo conico che ottura l’orifizio di iniezione e nebulizzazione vincendo così la forza della molla, tarata (tra i 350 e i 450 bar per i grandi motori navali e tra i 750 e i 950 bar nei comuni motori per autotrazione) che lo mantiene in posizione di chiusura. L’apertura e la chiusura degli iniettori sono quindi determinate dalla pressione generata dalla pompa di iniezione.
Il sistema di alimentazione Common Rail è stato battezzato con la sigla di JTD (unijet Turbo Diesel) in casa Fiat, mentre presso gli altri costruttori è stato siglato come CDI presso la Mercedes, HDI presso il Gruppo PSA, DCI presso la Renault ecc.
La pompa ad alta pressione mette il combustibile in pressione (generalmente pochissimi giri consentono già la generazione della pressione massima di funzionamento) e lo trasferisce al condotto comune che funge da serbatoio di accumulo della pressione. La pressione viene regolata grazie ad una valvola controllata elettronicamente in modo da mantenere nel condotto comune, comunemente chiamato “flauto”, la pressione richiesta dalla centralina elettronica.
Il combustibile giunge quindi agli iniettori ed occupa due vani, uno posto al di sopra ed uno al di sotto dell’ago polverizzatore. Le due forze contrastanti si annullano e l’ago resta in posizione di chiusura grazie alla piccola forza applicata da una molla. Il vano superiore, detto camera di comando, ha uno sfogo regolato da una valvola a solenoide o a comando piezoelettrico. Quando la centralina elettronica comanda l’apertura della valvola il vano superiore all’ago si svuota, la pressione presente nel vano inferiore comanda l’apertura dell’ago e inizia il processo di iniezione nella camera di combustione, che finisce solo quando viene interrotto il comando alla valvola e la formazione di pressione nella camera di comando determina la chiusura dell’ago polverizzatore.
In questo modo, grazie alla grande velocità di reazione delle valvole di comando, è possibile ottenere anche più iniezioni per ogni ciclo di lavoro. Si ha quindi una preiniezione, che serve ad innalzare pressione e temperatura nella camera di combustione, una o più iniezioni principali ed anche delle postiniezioni. Grazie alla preiniezione e alla suddivisione dei ratei di mandata principale la pressione nella camera di combustione si innalza in modo più graduale, evitando così la rumorosità di funzionamento tipica dei motori Diesel ad iniezione diretta.
I sistemi common rail riescono quindi a ridurre le rumorosità e gli elevati picchi di pressione ed ottengono una combustione più ordinata, grazie alla quale diminuiscono le emissioni di gas incombusti ed i consumi (circa il 15%) e si ha un sensibile aumento delle prestazioni (circa il 12%). Si hanno inoltre postiniezioni che fanno parte delle strategie antinquinamento. Il sistema di preiniezione rende il common rail molto più simile ai motori ad accensione comandata (i comuni motori a benzina) che ad un tradizionale motore ad accensione spontanea (motore diesel).
I motori più sofisticati, in alcuni casi anche grazie agli iniettori piezoelettrici, possono effettuare fino a otto iniezioni per ciclo. Appartengono a questa famiglia i motori Fiat Multijet. I precedenti JTD (uniJet Turbo Diesel), invece, avevano solo due iniezioni: quella principale e la preiniezione.